I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m s   ( I J P E DS )   Vo l.   12 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 2 1 ,   p p .   1 9 6 6 ~ 1 9 7 7   I SS N:  2088 - 8694 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v 1 2 . i 4 . pp 1 9 6 6 - 1 9 7 7          1966       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Four pro pelle rs s ub m a rin e drone   m o delling  i n a re a env iro n m en t       M o ha m ed  M o us t a nir 1 ,   K a ri m   B en kira ne 2 ,   Adil Sa y o uti 3 ,   H icha m   M edro m i 4   1 , 3, 4 De p a rtm e n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   Ha ss a n   II  Un iv e rsity ,   Na ti o n a Hig h   S c h o o l   o f   El e c tri c it y   a n d   M e c h a n ics ,   Ca sa b lan c a ,   M o ro c c o   2 ,3 Ro y a Na v a S c h o o l ,   Ca sa b lan c a ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   20 ,   2 0 2 0   R ev i s ed   Sep   24 ,   2 0 2 1   A cc ep ted   Oct  1 ,   2 0 2 1       In   o rd e t o   re d u c e   t h e   h y d ro d y n a m ic  d a m p e rs  a n d   m e c h a n ica e le m e n ts  a ru d d e rs,  w e   h a v e   in   o u p re v io u p u b li c a ti o n p ro p o se d   o u a r c h it e c tu ra so lu ti o n   o f   a n   RO V   w it h   o n ly   f o u th r u ste rs  w it h o u ru d d e rs  o d i v in g   b a rs.  In   th e   re su lt w e   h a v e   ju stif ied   th e   c h o ice   o f   t h e   a rra n g e m e n o f   th e   th ru ste rs.   A lso ,   we   h a v e   sta rted   th e   k in e m a ti c   a n d   d y n a m ic  stu d ies   o f   th e   m a rin e   ro b o t   a n d   w e   h a v e   e sp e c iall y   d e m o n stra ted   b y   u sin g   th e   m a th e m a ti c a m o d e u n d e r   M AT LAB  in   t h e   las p u b li c a ti o n ,   th a t   th is   re m o tel y   o p e ra ted   v e h i c le  (ROV )   c a n   m o v e   in   a   p e rf e c e n v ir o n m e n w it h o u g ra v it y   o h y d ro d y n a m ic   d a m p e rs.  In   th is   a rti c le,  w e   w il stu d y   th e   b e h a v io r   o f   th is   m a rin e   v e h icle   in   a   re a e n v iro n m e n w it h   g ra v it y   a n d   h y d ro d y n a m ic  d a m p e rs  a n d   w e   w il v ie if   th is  a rc h it e c tu ra so lu ti o n   c a n   re a ll y   a ll o w   th e   ROV   t o   m o v e   a n d   e x e c u te  th e   g iv e n   d irec ti o n a in str u c ti o n s .   K ey w o r d s :   Dr iv ar ch itect u r e   Mo d ellin g   R OV   Su b m ar in d r o n e   T h r u s ter s     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo h a m ed   Mo u s tan ir   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g   Hass a n   I I   Un i v er s it y   Natio n al  Hi g h   Sch o o l o f   E lect r icit y   an d   Me c h an ic s   E NSE M” ,   C asab lan ca ,   Mo r o cc o   E m ail:  m o h a m ed . m o u s ta n ir @ en s e m . ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O   R e m o tel y   o p er ated   v eh icles   ( R OVs ) ,   lik all  u n d er w ater   v eh icles  [ 1 ] ,   h av g r o w n   in   i m p o r ta n ce   o v er   th y ea r s .   T h eir   d ep lo y m en is   b ec o m i n g   m o r an d   m o r o m n ip r ese n an d   o f te n   u n a v o id ab le  [ 2 ] ,   b ec au s th u n d er w a ter   en v ir o n m e n is   h o s tile  an d   f o r m i d ab le  en v ir o n m e n an d   m a k es   th i s   t y p o f   m i s s io n   d if f ic u lt  a n d   ex p en s iv e.   Ma r in r o b o ts   p r o v id th m o r th a n   p er f ec s o lu tio n   f o r   m i s s io n s   [ 3 ] ,   in v o lv i n g   civ i l   an d   m ili tar y   f ield s   s u c h   as  m a r iti m ca r to g r ap h y ,   o ce an o g r a p h y ,   u n d er w ater   r esear ch   o r   s ea b ed   s u r v eilla n ce .   Sev er al  m o d els  an d   tech n o lo g ies  o f   t h ese  m ac h i n es  w er ap p ea r ed ,   at  th eir   b eg in n i n g ,   th e y   w er e   r e m o te  co n tr o lled   w it h   t h h u m an e   p r esen ce   in   th e   ch a in   o f   d ec is io n ,   a f ter   t h e y   cr ea ted   a u to n o m o u s   v ar ia n t s   A U Vs  ( au to n o m o u s   u n d er w at er   v eh icles)  w h ich   f illed   th li m itatio n s   o f   R O Vs.  A ll  th e s s u b m er s ib les  h a v e   b ee n   ab le  to   ass er th eir   im p o r tan ce   an d   co n s o lid ate  th eir   p o s itio n   as  an   in d is p en s ab le  to o l   to   av o id   en d an g er in g   h u m an s   an d   to   r ed u ce   o p er atin g   co s ts   b y   a u to m ati n g   s o m r ep etiti v o r   r ed u ce d - d ec is io n   tas k s   in   r elatio n   to   t h f ield s   a f o r e m en tio n ed   [ 4 ] .   T h p r o p ellan s o lu tio n   f o r   to r p ed o - s h ap ed ,   u s ed   in   o u r   w o r k ,   u n d er w ater   r o b o ts   is   co m m o n l y   r ea r   th r u s ter   as  s h o w n   i n   Fi g u r 1 ,   w h ile  t h g u id in g   s o lu t io n   i s   al m o s g e n er all y   co m b i n a tio n   o f   r u d d er s   an d   d iv in g   b ar s   to   en s u r th e v o l u tio n   o f   th s u b m ar in i n   t h aq u atic  en v ir o n m e n in   t h d e s ir ed   d ir ec tio n s .   An   ar ch itect u r al  s o lu tio n ,   as  s h o w n   Fi g u r 2 ,   co n s is t s   in   u s i n g   f o u r   o r ien tab le  p r o p eller s   w it h   p air   at  th f r o n t   an d   an o t h er   p air   at  t h r ea r ,   b u t h is   s o l u tio n   s u p p o s es  th e   i n s tal latio n   o f   ad d itio n al   m ec h an is m s   to   h a n d le  t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       F o u r   p r o p ellers   s u b ma r in d r o n mo d ellin g   in   a   r ea l e n viro n men ( Mo h a med   Mo u s ta n ir )   1967   th r u s ter s   a n d   in   ad d itio n ,   it  al s o   h as  Ma n e u v er i n g   t h r u s ter   in   b o w .   B u i s   it  p o s s ib le  to   i m p r o v o r   o p ti m ize   th is   ar c h itect u r al  s o lu tio n   a n d   o f f er   m o r ad v a n tag eo u s   alt er n ativ f o r   s h i f t in g ?   T h ar ch itectu r al  s o l u tio n   p r o p o s ed   in   th is   s tu d y   co n s is t s   o f   to r p ed o - s h ap ed   m ar i n r o b o t,  b u w it h   f o u r   p r o p eller   th r u s ter s   at  t h r ea r ,   w h ic h   w il l si m u ltan eo u s l y   p r o v id p r o p u ls io n   an d   d ir ec tio n   g u id an ce .   T h p r in cip le  o f   th i s   s o lu tio n   i s   p ar tl y   i n s p ir ed   b y   ae r ial  d r o n es  with   f o u r   v er tical  r o to r s   an d   at  t h s a m ti m also   u s ed   as a n   e m er g en c y   m an   o e u v r f o r   s u r f ac n a v ig a tio n   i n   th ev e n t o f   r u d d er   f ailu r e,   b u t   o n l y   f o r   s h ip s   w it h   m o r t h a n   o n p r o p eller .   So ,   to   k ee p   g iv en   d ir ec tio n ,   it is   n ec es s ar y   to   m ain tain   t h s a m th r u s ter   s p ee d   an d   f o r   ch an g i n g   d ir ec ti o n   it  w ill o n l y   b n ec es s ar y   to   u n b ala n ce   th d i s tr ib u tio n   o f   t h th r u s o f   th th r u s ter s   i n   f a v o r   o f   o n d ir ec tio n   o r   th o th er .             Fig u r 1 .   Su b m ar i n r o b o w it h   r ea r   p r o p eller ,   r u d d er s ,   an d   d iv in g   b ar s   ( E C A   g r o u p )       Fig u r 2 .   A li s tar   r o b o t w ith   f o u r   r ea r   p r o p eller s   ( E C A   g r o u p )         2.   RE S E ARCH   M E T H O D   2 . 1 .     P re s ent a t i o   T h g en er al  co n ce p o f   th is   v eh ic le  w as  p r ese n ted   i n   t h ar ticle  [ 6 ]   w h ich   p r ec ed es  t h i s   s t u d y ,   it   d escr ib es  in   ad d itio n   to   t h s h ap o f   t h i s   v e h icle,   t h e   ad v an ta g e s   an d   d is ad v a n ta g es  o f   th i s   ar ch i tectu r al   s o lu tio n .   I n   th s a m w a y ,   we  w er ab le  to   d e m o n s tr ate  i n   o u r   last   p u b licatio n   [ 7 ]   th a in   r ea l   aq u atic   en v ir o n m e n t,  t h is   R OV  as  Fi g u r 3   ca n   m o v a n d   ex ec u te   th o r d er s   r ec eiv ed .   T h u s ,   as   d em o n s tr ated ,   th e   m o s t c o m m o n   en g i n th r u s t c o m b i n atio n s   h av b ee n   te s ted   an d   th r es u lti n g   c u r v e s   h a v b ee n   p r esen ted .           Fig u r 3 .   P r o p o s ed   m o d el  in   p er s p ec tiv e       T w o   ap p r o ac h es  ar p o s s ib le   to   h av d y n a m ic  m o d el   [ 8 ] o n s tar tin g   f r o m   t h co n s er v atio n   o f   eq u atio n s   o f   t h k in etic   an d   p o ten tial  en er g ies  o f   L ag r a n g e - E u ler   [ 9 ] ,   [ 10 ]   an d   th o th er   d ev elo p in g   t h f u n d a m en ta eq u atio n   o f   m ec h an ic s   n a m ed   m e th o d   o f   Ne wto n - E u ler   [ 1 1 ] .   I t' s   t h is   last   th at  w as  u s ed   in   th is   r esea r ch ed   w o r k s .   T h m o d eli n g   o f   t h R OV  i n cl u d es t h k i n e m a tic  p ar t th a w ill   f o c u s   o n   th m o v e m e n t a n d   g eo m etr ic  r elatio n s h ip s   o f   t h s u b m ar in e.   W h i le  th d y n a m i p ar w ill  d ea w it h   th f o r ce s   an d   to r q u es  ac tin g   o n   th i s   m ac h i n e.     2. 2 .   K inem a t ic  m o del   T h g lo b al  p o s itio n   v ec to r   [1 2 ] ,   [ 1 3 ]:     = [ , , , , , ]   ( 1 )     = ( 1 , 2 )   1 = ( , , )   2 = ( , , )   ( 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t,   Vo l.  12 ,   No .   4 Dec em b er   2021   1966     1 9 7 7   1968   I n   th s a m w a y   w ca n   co m b in th s p ee d s :     = ( 1 , 2 )   1 = ( , , )   2 = ( , , )   ( 3 )     I n   co o r d in ate  s y s te m   R 0:     1 ̇ = 1 ( 2 ) 1   2 ̇ = 2 ( 2 ) 2   ( 4 )     w it h :     1 ( 2 ) = (           +              +                +              +                       )   ( 5 )     2 ( 2 ) =   [ 1        0    0 /   /  ]   ( 6 )     T h R o ll,  P itch   an d   Ya w   ( φ,   θa n d ψ)   d esig n ate s   th E u ler 's  an g les  ( Fi g u r 4 ) ,   w h ich   i n   r o b o tics   co r r esp o n d   to   th s y s te m   co m m o n l y   ca lled   R . T . L :           Fig u r 4 .   R ep r esen tatio n   o f   E u ler   an g les [ 1 4 ]       2. 3 .   Dy na m ic  m o de l   I n   g en er al,   th f o r ce s   g en er ated   b y   th r o tatio n   o f   th ea r th   o n   th v e h icle  ca n   b n eg lecte d   co m p ar ed   to   th h y d r o d y n a m i f o r ce s ,   if   w co n s id er   th at  t h R 0   co o r d in ate  s y s te m   is   Galilea n   co o r d in ate   s y s te m   f ix ed   to   t h s u r f ac o f   th E ar t h .   T h d y n a m ic  s i m u latio n   w il b in s p ir ed   b y   th e   w o r k   o f   Fo s s e n   [ 9 ].   I n   th i s   r ef er en ce ,   t h f u n d a m e n tal  p r in cip le  o f   t h d y n a m ics  ap p lied   to   th m o b ile  g iv e s   [ 1 5 ]:       ̇ = + + + +   ( 7 )     W h er th v ec to r s :       ̇ = [ ̇ , ̇ , ̇ , , ̇ ̇ , ̇ ]   : v eh icle  ac ce ler atio n s     : f o r ce s   an d   to r q u es o f   d r iv i n er tia  an d   C o r io lis     : f o r ce s   an d   to r q u es i n d u ce d   b y   w ei g h t a n d   A r ch i m ed es '   t h r u s t     : h y d r o d y n a m ic  f o r ce s   an d   to r q u es     : f o r ce s   a n d   to r q u es p r o d u ce d   b y   ac t u ato r s     : e x ter n al  d is tu r b an ce s   ( w av e s   …)     2 . 3 . 1 .     I nert ia   a nd   c o rio lis   An y   m o v i n g   b o d y   m o v i n g   i n   f lu id   w h o s d en s ities   ar clo s e,   ca u s es  d is p lace m e n o f   ce r tain   q u an tit y   o f   t h is   f lu id   d u r in g   it s   m o v e m en t.   T h u s ,   f r o m   th e   p h y s ical  p o in o f   v ie w ,   Ne w to n ' s   s ec o n d   la w   is   n o   lo n g er   ap p licab le  in   h is   cla s s i ca f o r m ,   b ec au s ai r   w a s   ad m itted   as  v ac u u m   an d   t h m as s   o f   th d is p lace d   air   is   n eg l ig ib le  co m p ar ed   to   th m as s   o f   th s o lid   i n   m o t io n ,   f r o m   w h er it  i s   n ec es s ar y   t o   tak i n to   ac co u n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       F o u r   p r o p ellers   s u b ma r in d r o n mo d ellin g   in   a   r ea l e n viro n men ( Mo h a med   Mo u s ta n ir )   1969   th is   d is p lace d   m a s s   o f   f lu id   [ 1 6 ].   C o n s eq u e n tl y ,   t h b alan ce   o f   th e   f o r ce s   d u to   t h i n er tia   an d   to   th is   ad d ed   m as s   o f   w ater   m u s t b w r itte n   in   th f o r m :     = ( + ) .   ( 8 )     As  r esu lt,  r elatio n   ( 8 )   w h ic h   co n ce r n s   th m as s   m atr i x ,   is   s ee n   to   b d ev elo p ed .   T h in er tia  m atr i x   o f   th f l u id   is   p o s iti v an d   s y m m etr ica l.  T h u n d er w ater   v e h ic le  h a s   t w o   p lan es  o f   s y m m etr y ,   o n w i t h   r esp ec t to   th p la n ( x z)   a n d   a n o th er   w i th   r e s p ec t to   th e   p lan ( x y )   a n d   s i n ce   it   h a s   to r p ed o   s h ap e,   s o   w ca n   s i m p li f y   th s y m m etr ie s   an d   t h m atr i x   ca n   tak t h f o llo w i n g   f o r m   [ 1 7 ]:     = [           ̇ 0 0 0 0 0 0 ̇ 0 0 0 0 0 0 ̇ 0 0 0 0 0 0 ̇ 0 0 0 0 0 0 ̇ 0 0 0 0 0 0 ̇ ]             ( 9 )     Fo r   o u r   R OV:     ̇ = 0 , 1       2 . 86   ̇ =  2     88 . 84   ̇ =  2     88 . 84   ̇ = 0     0   ̇ =  2 3 12 +   3 15     10 . 66   ̇ =  2 3 12 +   3 15   10 . 66     L i k e w is e,   f o r   th m atr ix   o f   i n er tia  an d   as  th ce n ter   o f   th r ef er en ce ,   R v   co in cid es  w it h   th ce n ter   o f   g r av it y   a n d   tak i n g   i n to   ac co u n t th s y m m e tr ies  w ca n   s i m p l if y   is   b ein g   as   [ 1 7 ]:     = [           0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0  0 0 0 0 0 0  0 0 0 0 0 0  ]             ( 1 0 )       2. 3 . 2 .   W eig ht  a nd   Arc hi m ed es' t hrus t   T h f o r ce s   th at  th s u b m ar in u n d er g o e s   in   w ater   ar A r ch i m ed es '   p u s h   a n d   th at  o f   i ts   o wn   w ei g h an d   ar w r itte n :     =   .   ( 1 1 )     = . .   ( 1 2 )     w it h     : v eh ic le  m a s s     : e ar th   ac ce ler atio n     w ater   d en s it y     d is p lace d   w ater   v o l u m e.   T h u s ,   th v ec to r   o f   h y d r o s tat ic   f o r ce s   ca n   b w r it ten   a s   [1 6 ]:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t,   Vo l.  12 ,   No .   4 Dec em b er   2021   1966     1 9 7 7   1970   = [             ( )   ( )      ( )       ( )      c os φ     (   )   c os θ   s in φ ( )      c os φ     (   )   s in θ   ( )      c os φ     (   )   s in θ   ]               ( 1 3 )     w it h :     B:   A r ch i m ed es '   t h r u s t ( B u o y a n c y )   i n   N     W : W eig h t i n   N     ( , , ) : th p o s itio n   o f   t h ce n ter   o f   g r av it y   i n   R v     ( , , ) : th p o s itio n   o f   t h ce n ter   o f   g r av it y   i n   R v   I f   w co n s id er   th at  th ce n ter   o f   th r u s an d   th ce n ter   o f   th r ef er en ce   R v ,   ar p lace d   o n   th s a m e   ax is   ( Oz) ,   th e n ,   th ce n ter   o f   g r av it y   m u s b b elo w   th ce n ter   o f   th r u s f o r   th s u b m ar i n e   to   k ee p   its   p o s itio n   o f   in it ial  eq u ilib r i u m   u n d er   th ef f ec t o f   th r i g h tin g   m o m e n t ( F ig u r 5 ) .           Fig u r 5 .   x   c o n f i g u r atio n   i n   r ea r   v ie w       Fro m   w h er = 0   , = 0      =   ,   an d   th at  th m as s   o f   th s u b m ar i n is   d is tr ib u ted   s y m m etr icall y   w it h   r e s p ec t o   th t h r ee   p lan e s   (  ) , (  )      (  ) ,   w k n o w   th at   in   R V:   = 0 , = 0      = 0 ,   th s a m at  eq u ilib r iu m   W = B :     = [           0 0 0     c os θ   s in φ     s in θ   0 ]             ( 1 4 )     2 . 3 . 3   H y dro dy na m ic  f o rc es  a nd   t o rques   T h er ar e   o th er   ty p es  o f   h y d r o d y n a m ic  d a m p er s   an d   th e y   a f f ec p r i m ar il y   s u r f ac s h ip s   r ath er   th a n   u n d er w at er   v eh icles.   T h u s ,   it  b ec o m e s   d if f ic u lt  to   s ep ar ate  all  d a m p er s   clo s el y ,   it   is   th e n   n ec es s ar y   to   e x p r ess   in   g lo b al  w a y   al l th e s h y d r o d y n a m ic  d a m p i n g   f o r ce s   i n   s in g le  ter m   w h ic h   d ep en d s   o n   t h s p ee d   [ 1 8 ]:     = ( ) . = ( +  ( ) ) .   ( 1 5 )       lin ea r   d a m p i n g .      : n o n - li n ea r   d a m p in g .     w it h :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       F o u r   p r o p ellers   s u b ma r in d r o n mo d ellin g   in   a   r ea l e n viro n men ( Mo h a med   Mo u s ta n ir )   19 71   = [           0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ]             ( 1 6 )        = [              | | 0 0 0 0 0 0  | | 0 0 0 0 0 0  | | 0 0 0 0 0 0  | | 0 0 0 0 0 0  | | 0 0 0 0 0 0  | | ]               ( 1 7 )     W h er th co ef f icie n ts   i n   «   |   |   »   a r t h ab s o lu te  v al u es o f   t h lin ea r   an d   ab s o lu te  s p ee d s .     T h s u b m ar in w ill  b ass u m e d   lik cy li n d r ical  s h ap o f   len g t h   L ,   w it h   t w o   h e m is p h er e s   at  th en d   o f   r ad iu s   a.   A s   t h e   s u b m ar i n d o es n o t h av d r iv e,   r u d d er   o r   r u d d er s   th er ef o r e:     = = ( 2  + 2 )    | | = 1 2  2   ( 1 8 )         = = 2 2    | | =    ( 1 9 )         = 0    | | =    ( 2 0 )         = 0    | | = 1 32  4   ( 2 1 )         = 0    | | = 1 32  4   ( 2 2 )         = 0    | | = 0   ( 2 3 )         I f   w co n s id er :     = 0 . 152     = 1 , 2     = 1020    / 3     So ,   af ter   ca lcu latio n ,   th h y d r o d y n a m ic  co ef f icie n ts   s p ec i f ic   to   th is   R OV  w ill b g r o u p ed   i n   th T ab le  1   an d   w w i ll b ec o m e:       T ab le  1 .   R OV s   h y d r o d y n a m ic   co ef f icie n t s   [ S.I ]     1 4 0 1 . 56    | |   37 . 01     2 3 2 . 58    | |   1 8 6 . 04     0    | |   1 8 6 . 04     0    | |   10 . 04     0    | |   10 . 04     0    | |   0       2 . 3 . 4 .     E x t er na l dis t ur ba nces   E x ter n al  d is tu r b an ce s   af f ec ti n g   m ar i n v e h icle  ar th w i n d   ( o n ly   f o r   s u r f ac v e h icle s ) ,   w a v es  ( f o r   s u r f ac o r   s u b s u r f ac v e h icle s ) ,   an d   cu r r en t,  b u th m o s i m p o r tan is   t h u m b ilical  [ 1 7 ].   B u in   th p r ese n ce   o f   th e m b ilical,   t h d y n a m ic  s tu d y   s h o u ld   b m o r d etailed   [ 1 9 ] .   Sin ce   it h as  n o   ca b le  f o r   o u r   R OV  a n d   if   we   co n s id er   th at  th s u b m ar in w il ev o lv i n   ca l m   w ater s   w it h o u th p r esen ce   o f   w a v es  o r   cu r r en ts ,   th ese   d is tu r b an ce s   ca n   b n e g lecte d .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t,   Vo l.  12 ,   No .   4 Dec em b er   2021   1966     1 9 7 7   1972   2 . 3 . 5 .     Act ua t o r   ef f ec t s   T h ey   d esi g n ate  g en er all y   a n y   p o w er   s o u r ce   w h ich   ca n   g en er ate  th r u s ex er ted   o n   t h v eh ic le,   i n   o u r   ca s e,   th e y   ar f o u r   elec tr ic  m o to r s   o f   b r u s h less   t y p m o u n ted   in   co n f i g u r atio n   " x " .   M o d elin g   t h th r u s o f   th r u s ter   is   r elati v el y   d elica t b ec au s it  d ep en d s   o n   s e v e r al  p ar am eter s   a n d   is   f u r t h er   co m p lica ted   b y   t h e   co u p lin g   o f   s ev er al  t h r u s ter .   B ec au s in   o u r   ca s e,   t h t h r u s ts   o f   t h f o u r   t h r u s ter s   ar p ar allel  to   th a x is   Ox .   s ee n   f r o m   th r ea r ,   tak i n g   i n to   ac co u n th co n f i g u r atio n   o f   t h th r u s ter s   ( Fi g u r 5 ) .   T h v ec to r   o f   f o r ce s   an d   to r q u es a p p lied   to   th v eh icle  b y   t h ac t u ato r s   is   g en er all y   d ef i n ed   as   [1 7 ]:     = ( , , , Γ , Γ , Γ )   ( 2 4 )     I n   o u r   ca s e,   s i n ce   w h a v f o u r   th r u s ter s   d ir ec ted   alo n g   th Ox   ax is ,   th e n     = ( , 0 , 0 , 0 , Γ , Γ )   ( 2 5 )     T h er ef o r e,   th m atr ix   o f   ac tu at o r s :     = .   ( 2 6 )     W h o   b ec o m es :     = [           1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 / 2 / 2 + / 2 + / 2 + + ]           . [ 1 2 3 4 ]   ( 2 7 )     2 . 4 .     Si m ula t io n   2 . 4 . 1 .   Nu m er ica l r e s o lutio n   T h MA T L A B   lan g u ag w ill  b u s ed   f o r   t h s i m u latio n   o f   th m o v e m e n o f   t h i s   R OV,   f o r   th at  we   w il i m p le m en t h p r o g r am   i n   th is   la n g u a g e.   Si m i lar l y ,   an d   d e p en d in g   o n   th en g i n co n tr o ls   an d   also   th r esp o n s o f   th v e h icle,   t h d escr ib ed   tr a j ec to r y   w ill  b v is u alize d   o n   3 in ter f ac e.   T h p ar am eter s   s p ec if ic   to   th R OV  o f   th is   s tu d y ,   a s   w ell  a s   t h eq u atio n s   w h ich   r e s u lt  f r o m   t h k in e m at ic ,   an d   d y n a m ic  s tu d ie s   w ill   b in teg r ated   in to   th g lo b al  p r o g r am   to   v i s u alize   th v ar i o u s   p h ase s   o f   th v eh icle  s i m u latio n .   T h R OV   eq u atio n   o f   s tate  s y s te m   ca n   b d ef in ed   as:     { ̇ ( ) = ( ) . ( ) ̇ ( ) = 1 ( . ( ) ( ) . ( ) )   ( 2 8 )     w it h :     = [           1 ( 2 ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 ( 2 ) ]             ( 29 )     an d :     = [           ̇ + 0 0 0 0 0 0 ̇ + 0 0 0 0 0 0 ̇ + 0 0 0 0 0 0 ̇ +  0 0 0 0 0 0 ̇ +  0 0 0 0 0 0 ̇ +  ]             ( 3 0 )     So m n u m er ical  d ata  s p ec if ic  to   th R OV:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       F o u r   p r o p ellers   s u b ma r in d r o n mo d ellin g   in   a   r ea l e n viro n men ( Mo h a med   Mo u s ta n ir )   1973   = = 1 2 . 2 = 3 , 504    . 2   = 0 , 143    . 2   1 = 60      2 = 60      ( 3 1 )   = 1 , 2     = 28 , 6      = 90      = 15        I n   th f o llo w in g   p ar t,  w w i ll   u s t h n u m er ical  r eso lu t io n   o f   th d i f f er e n tial  eq u a tio n s   t o   v is u a lize   th d y n a m ic  b e h av io r   s p ec i f i to   o u r   s u b m ar i n r o b o t,  o f   w h ic h   t h i n p u p ar a m eter s   o f   t h s y s te m   w ill   b o n l y   t h d if f er e n p o w er   co n f i g u r atio n s   o f   th t h r u s te r s .   T h ( 2 8 ) ,   w h ic h   g o v er n   th m o d el  r esu lti n g   f r o m   th e   k in e m at ic  an d   d y n a m ic  s tu d i es  o f   th R OV,   ca n   b s o lv e d   b y   s e v er al  m et h o d s   o f   n u m er ical  r eso lu tio n   o f   d if f er e n tial  eq u a tio n s ,   b u in   t h is   c h ap ter ,   w h a v o p ted   f o r   th 4 th   o r d er   r u n g e - k u tta  ( R K)   m et h o d   f o r   its   r e m ar k ab le  p r ec is io n   i n   s o l v in g   th i s   t y p o f   eq u atio n   [ 2 0 ] .     2 . 4 . 2 .   I m ple m ent a t io n   T h is   m et h o d   is   an   e f f icie n a n d   r eliab le  m et h o d   f o r   s o lv i n g   d if f er en tial  eq u atio n s ,   a n d   also   ca n   b e   u s ed   i n   g e n er al  w a y   u s ab le  at  an y   o r d er   o f   d if f er en t ial  eq u atio n s .   T o   d o   th is ,   it  s u f f ices  to   co n v er th o r d er   n   o f   th eq u atio n   to   b e   s o l v ed   to   th n u m b er   n   o f   eq u atio n s   to   b e   s o lv ed .   Nev er th eles s ,   it  r eq u ir es  m etic u lo u s   s eq u en c in g   f o r   its   ap p licatio n ,   b ec au s e   it  i n v o l v es  f o u r   ti m es  m o r ca lc u lati o n   th a n   th E u ler   m et h o d   f o r   ex a m p le.   T h s eq u en ce   to   ap p l y   t h i s   m et h o d   f o r   s o lv i n g   1 s t   o r d er   d if f er e n ti al  eq u atio n   w it h   t h e   4 th   o r d er   R u n g e - Ku t ta  m et h o d ,   ca n   b w r itten   as   [2 1 ] :     ( = 0 ) = 0     1 = ( 0 , 0 )   .    2 = ( 0 +  2 , 0 + 1 2 )   .    ( 3 2 )   3 = ( 0 +  2 , 0 + 2 2 )   .    4 = ( 0 +  , 0 + 3 )   .    1 = 0 + 1 6 . ( 1 + 2 2 + 2 3 + 4 )     T h d iag r a m   o f   t h i s   4 th   o r d er   m eth o d   ab o v w il b ap p lied   in   o u r   ca s f o r   th s o lu ti o n   o f   t h e   eq u atio n s .   B u w m u s f ir s d ec o m p o s o u r   eq u atio n   w h i ch   is   a t h 2 n d   d eg r ee   i n   2   eq u atio n s   o f   t h 1 s t   d eg r ee .   th co ef f icie n ts   o f   R K   w i ll  b ca lcu lated   s i m u l t an eo u s l y   a n d   alter n atel y   alo n g   t h r eso lu tio n   p r o ce s s   to   f in al l y   f i n d   th d esire d   v al u es a s :   No te:  A ll t h e s co ef f icie n ts   ( v ec to r s   an d   m atr ices)   ar o r d er   6 .   T h is   alg o r ith m   w il b im p le m en ted   in   MA T L A B   in   th f o r m   o f   p r o g r am   w it h   th v a lu es  o f   th e   th r u s ts   as  in p u ts .   T h m o s co m m o n   co m b in a tio n s   o f   th r u s t er s   w ill  b test ed   to   d eter m i n e   th r ea ctio n   o f   th R OV  i n   ea ch   ca s e.             ( = 0 ) = 0       ( = 0 ) = 0       (3 3 )     1 = ( 0 )   .        1 = ( 0 )   .        ( 34 )     2 = ( 0 + 1 2 )   .        2 = ( 0 + 1 2 )   .        (3 5 )     3 = ( 0 + 2 2 )   .        3 = ( 0 + 2 2 )   .        ( 3 6 )     4 = ( 0 + 3 )   .        4 = ( 0 + 3 )   .        (3 7 )     1 = 0 + 1 6   . ( 1 + 2 2 + 2 3 + 4 )       1 = 0 +   . ( 1 + 2 2 + 2 3 + 4 )       (3 8 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t,   Vo l.  12 ,   No .   4 Dec em b er   2021   1966     1 9 7 7   1974   3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O   T h s y s te m   e n tr ies  i n d icati n g   th v al u es  o f   t h th r u s t s   d ev el o p ed   b y   th t h r u s ter s   w ill  b g iv en   i n   th e   o r d er   [ F 1 ] - [ F 4 ].   T o   h av th b alan ce   o f   th t h r u s ts ,   n o r m all y   t h e y   m u s h av t h s a m v al u e s .   Ho w e v er ,   as  th e   ce n ter   o f   g r av it y   o f   th v eh ic l is   n o o n   th ax is   ( Ox ) ,   w w il h a v an   eq u ilib r iu m   co ef f icie n t   o f   h o r izo n tal   f o r ce s .   So ,   th is   co ef f icien w i ll  in d icate   th p r o p o r tio n ality   b et w ee n   th h o r izo n tal  t h r u s ts   an d   h is   d ef in ed   as:      = ( 1 + )   .  2  3   (3 9 )     W ca n   s ee   th at  if   = 0   w h av p r o p o r tio n ality   o f   = 1   w h en   3 = 2 Fo r   ex a m p le:  3 = 22   a n d   2 = 14   .   T o   g iv c o m p ar ati v id ea   b et w ee n   th s tu d y   i n   an   id ea an d   r ea en v ir o n m e n t,  w w il l   tr y   to   k ee p   th s a m co n f ig u r atio n   an d   p r o p o r tio n alit y   s c h e m e s   p r ev io u s l y   en ter ed .       T h r u s ter s   h a v p r o p o r tio n all y   th s a m t h r u s {1 8 ;1 8 ;2 8 ;2 8 }   I n   th is   ca s ( Fig u r 6 )   th r o b o k ee p s   a   s tr aig h p ath .   On l y   t h x   p o s itio n   ch a n g e s ,   th o th er   f iv e   p ar am eter s   r e m ai n   ze r o .   I ts   s p ee d   alo n g   th O x   ax i s   in cr ea s es  in it iall y ,   t h e n   s tab ili ze s   th r o u g h o u th e   r e m ain d er   o f   t h s i m u latio n .           Fig u r 6 .   T h r u s ter s   h a v p r o p o r tio n all y   t h s a m th r u s t         Ver tical  th r u s ter s   h av e   p r o p o r tio n all y   t h s a m t h r u s {1 5 ;1 0 ;2 3 ;2 8 }   W ith   t h is   co n f i g u r atio n   ( F ig u r 7 ) ,   th R OV  d escr ib es  a n   ar in   p la n p ar allel  to   th p la n 0   at   co n s ta n t z ,   th r ad iu s   d ep en d s   o n   t h p o w er   o f   t h t h r u s ter s   a n d   o n l y   t h an g le  t h eta  v ar ies.           Fig u r 7 .   Ver tical  th r u s ter s   h a v p r o p o r tio n ally   t h s a m t h r u s t       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       F o u r   p r o p ellers   s u b ma r in d r o n mo d ellin g   in   a   r ea l e n viro n men ( Mo h a med   Mo u s ta n ir )   1975     On o f   t h f o u r   th r u s ter s   i s   p r o p o r tio n ally   d i f f er en t to   th o t h er s   {1 8 ;1 8 ;2 8 ;0 }   I n   th is   co m b i n atio n   ( F ig u r 8 ) ,   th v eh icle  w ill  d escr ib s p ir al  w h o s r ad iu s   an d   p itch   w i ll  d ep en d s   o n   th s p ee d   o f   th R OV  a n d   th d ef er en ce   o f   th p o w er   o f   t h is   t h r u s ter   w it h   th o t h er   th r u s ter s .           Fig u r 8 .   On o f   t h f o u r   t h r u s ter s   is   p r o p o r tio n ally   d i f f er en to   th o th er s       T o   c o n f ir m   o u r   r es u lts   in   p r ac tice,   w e   s tar ted   t h r ea lizatio n   p h ase  i n   o u r   L ab o r ato r y   in   th E NSEM   Hass a n   I I   Un iv er s it y .   T h p r o d u ctio n   p ar is   alm o s f i n is h ed ,   p r o to ty p in g   an d   3 p r i n ti n g   ar at  v er y   ad v an ce d   s tag e.   I n   t h ese   f i g u r es  ( Fig u r e s   9   to   1 1 ) ,   w h a v s ee n   h o w   t h R OV   is   p ar tl y   ca r r ied   o u t,   th e   ass e m b l y   a n d   th w ir i n g   ar i n   an   ad v an ce d   s ta g e,   r e m ai n   t h e   d r y   test s ,   to   th e n   b eg i n   th o s i n   r ea l c o n d itio n s .   Sev er al  m eth o d s   ar u s ed   to   v ar y   t h s i g n al  o f   m o to r   co n tr o ls   s u c h   as   p u ls w id t h   m o d u lati o n   ( P W M )   [ 2 1 ]   (a c c e ss e d   M a y ,   2 0 2 1 ).   [1 ]     which   is   an   effici ent  an d   widely   u sed   p ro c ess   in clu d in g   the  n a v al   sec to r o r   wi th  a   co n tro l   b o ard   d edi ca te d   to   thi s   task   b y   u sin g   an   URA p ro to c o l   (Uni v ersal  A s y n chr o n o u Rec ei v er / Tran s m it te r)  [ 2 2 ],  [2 3 ].   ,   d o i:   1 0 . 1 1 5 9 1 /i jp e d s.v 1 1 . i4 . p p 1 7 0 1 - 1 7 1 0 .   Ho w e v er ,   w w il f ir s s tar w it h   t h co n tr o th r o u g h   t h E SC   ( E lectr o n ic  Sp ee d   C o n tr o l)   w h ic h   is   co m p atib le  w it h   o u r   b r u s h le s s   m o to r s .   Fo r   th co n tr o l,  w d id   n o o p f o r   an   am b ilical  ca b le  b ec au s it  w il l   li m it   t h m an e u v er s   o f   t h r o b o [ 2 4 ] ,   an d   w e   ch o s t h at  t h co n tr o o f   t h i s   r o b o w i ll  b e   r e m o te  a n d   w ill  b e   b ased   o n   an   ar d u in o   HC 1 2   tr an s ce i v er   m o d u le.   I ts   f r eq u en c y   r a n g i s   b et w ee n   4 3 3   MH a n d   4 7 3   MH w h ic h   is   alr ea d y   p r esen ted   in   s tu d y   [ 2 5 ] ,   r em ai n s   it s   ad ap tatio n   f o r   th ese  m o d u les  f o r   g r ea ter   d ep th .             Fig u r 9 T h R OV’ s   b o w   w it h   th v is o r     Fig u r 1 0 .   R OV’ s   ass e m b l y           Fig u r 1 1 .   T h co n tr o l a n d   w ir in g   d ia g r a m s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.